孫元章，張鵬成，柯德平，徐箭，廖思陽(yáng)

(武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430072)

0 引言

能源作為促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)動(dòng)力，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，也是國(guó)家安全的重要戰(zhàn)略物資[1]。全球氣候、環(huán)境危機(jī)給每個(gè)國(guó)家的發(fā)展敲響警鐘，人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的以溫室氣體為主的污染性物質(zhì)極大地阻礙著全球經(jīng)濟(jì)的健康持續(xù)發(fā)展。改革開放以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的顯著提高，中國(guó)能源消耗尤其是化石能源消耗的總量也不斷攀升，CO2排放量顯著增加。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾促使人們對(duì)現(xiàn)有發(fā)展模式和能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行反思，并做出相應(yīng)改進(jìn)。中國(guó)早在2009年召開的國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議上指出，到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40～45%，并將此作為約束性指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃，建立了相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)和考核辦法[2]；習(xí)近平總書記在2020年聯(lián)合國(guó)成立75周年一般性辯論中指出，中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。這一目標(biāo)為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指明了更明確、更具體、更綠色的可持續(xù)發(fā)展道路，客觀上要求人們積極探索未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具體能源結(jié)構(gòu)與能源利用形式。

探索能源格局轉(zhuǎn)變不可忽視其中蘊(yùn)含的能源安全這一關(guān)鍵問(wèn)題，俄羅斯學(xué)者撰文指出能源安全是一項(xiàng)公共產(chǎn)品[4]。中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)的能源特征是“富煤、缺油、少氣”，隨著汽車等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)每年的油和天然氣產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)需求，供需不平衡的矛盾促使中國(guó)大量進(jìn)口國(guó)外能源，油氣對(duì)外依存度逐年攀升[5 - 7]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的年度統(tǒng)計(jì)公報(bào)中的數(shù)據(jù)顯示，截至2019年，中國(guó)石油對(duì)外依存度超過(guò)70%，天然氣對(duì)外依存度也達(dá)40%以上。國(guó)際形勢(shì)風(fēng)云動(dòng)蕩，局部不穩(wěn)定因素依舊存在，中國(guó)能源進(jìn)口通道暢通存在風(fēng)險(xiǎn)[8 - 9]。另一方面，國(guó)內(nèi)能源和消費(fèi)中心分布嚴(yán)重失衡，能源主要分布在三北、三西地區(qū)，產(chǎn)消錯(cuò)位促使人們積極探索多種形式的能源運(yùn)送方法和運(yùn)輸路徑[10 - 12]。以煤炭為例，中國(guó)大力建設(shè)以鐵路運(yùn)輸為主的多種運(yùn)輸途徑，基本形成“九縱+六橫”鐵路運(yùn)輸格局，積極探索鐵海聯(lián)運(yùn)、鐵水聯(lián)運(yùn)等新形式[13]。能源遠(yuǎn)距離跨區(qū)流動(dòng)對(duì)能源輸送通道的要求大大提高，抵御類似2020年新冠疫情這樣突發(fā)事件的能力值得人們關(guān)注[14]。

不論是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變抑或是能源安全提升，能源互聯(lián)互通、互濟(jì)互用都是其實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，由此能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命》一書中系統(tǒng)闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的一般概念和發(fā)展前景，指出“基于可再生的、分布式、開放共享的網(wǎng)絡(luò)，即能源互聯(lián)網(wǎng)”。世界各國(guó)以此為基礎(chǔ),結(jié)合自己國(guó)家的發(fā)展特點(diǎn)加以豐富和完善，逐步形成適應(yīng)本國(guó)發(fā)展的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路徑。在中國(guó)，以國(guó)家電網(wǎng)為主導(dǎo)、以電力系統(tǒng)為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)逐步發(fā)展，在統(tǒng)一能路[15 - 18]、多能互補(bǔ)[19]、節(jié)能減排[20]等方面取得重要突破。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在能源強(qiáng)度、碳足跡、碳減排、能源運(yùn)輸、能源安全和能效提升方面開展了諸多研究，對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法也有相關(guān)研究，但各研究主題仍相對(duì)比較孤立。本文以中國(guó)能源政策和現(xiàn)有研究為基礎(chǔ)，試圖回答為什么建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)具有哪些特征，以及如何建設(shè)和運(yùn)行能源互聯(lián)網(wǎng)這3個(gè)問(wèn)題，嘗試從能源結(jié)構(gòu)頂層設(shè)計(jì)、區(qū)間能源流動(dòng)和區(qū)域能源優(yōu)化利用3個(gè)層次進(jìn)行能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 環(huán)境與安全促進(jìn)能源互聯(lián)

1.1 碳排放與能源結(jié)構(gòu)

碳排放是生產(chǎn)生活、貨物運(yùn)輸、商品使用與回收等多方位、全流程產(chǎn)生的溫室氣體排放量。發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)大量排放CO2，是造成全球氣候變暖等氣候問(wèn)題的關(guān)鍵因素[21]。BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)顯示，2018年全球碳排放增長(zhǎng)2.0%，為近7年最高增速。中國(guó)自改革開放后經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，碳排放也相應(yīng)增加，根據(jù)Global Carbon Atlas匯總的數(shù)據(jù)粗略估計(jì)，2018年中國(guó)碳排放量接近世界總排放量的四分之一，超過(guò)了美國(guó)、印度、俄羅斯3個(gè)國(guó)家碳排放的總和。圖1為2018年世界主要碳排放國(guó)對(duì)比。

圖1 2018年世界主要碳排放國(guó)對(duì)比

減少碳排放要從行業(yè)入手，積極推進(jìn)多行業(yè)的綠色能源替代。圖2為中國(guó)化石能源消費(fèi)基本構(gòu)成。從圖2所示的一次能源消費(fèi)基本構(gòu)成來(lái)看，能源滲透至各個(gè)領(lǐng)域。正因如此，打破各行業(yè)用能信息壁壘、探索多類型能源綜合應(yīng)用、建立能源互聯(lián)互通平臺(tái)至關(guān)重要。

圖2 中國(guó)化石能源消費(fèi)基本構(gòu)成

從各分立能源來(lái)看，煤炭、石油、天然氣在不同的用能主體中側(cè)重并不一致。表1基于國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒，整理了2017年不同能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示煤炭用于發(fā)電的份額超過(guò)其余各組分總和，石油主要用于交通和工業(yè)，天然氣在交通、發(fā)電領(lǐng)域的占比較高。電動(dòng)汽車[22]、熱電聯(lián)合[23]及新能源發(fā)電技術(shù)[24]的不斷進(jìn)步，為能源消費(fèi)構(gòu)成的優(yōu)化轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)支撐?；谙冗M(jìn)技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)將為碳排放約束下的能源轉(zhuǎn)型體系構(gòu)建提供可能。在此背景下，中國(guó)大力發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)，一方面推進(jìn)應(yīng)用裝備領(lǐng)域替代，加強(qiáng)綠色建筑、綠色交通等領(lǐng)域建設(shè)，另一方面加速能源轉(zhuǎn)型，實(shí)施清潔電力利用、電能替代等舉措。生態(tài)環(huán)境部公布的《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)2019年度報(bào)告》顯示，中國(guó)2018年度在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能效提升、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制溫室氣體排放、大氣污染物和溫室氣體協(xié)同管理、低碳試點(diǎn)等方面取得了較大成就：北方地區(qū)在2017—2018年與2018—2019年兩個(gè)取暖季清潔取暖率達(dá)到50.7%；2018年城鎮(zhèn)新建建筑中執(zhí)行綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的比例達(dá)到56%；電動(dòng)汽車快速發(fā)展，截至2019年5月底，各類充電樁保有量97.6萬(wàn)個(gè)，公共充電樁40.1萬(wàn)個(gè)。

表1 2017年中國(guó)能源消費(fèi)構(gòu)成

1.2 能源供應(yīng)與安全

能源安全的核心內(nèi)涵之一是能源供應(yīng)安全，是能源一段時(shí)間內(nèi)的可獲得性，其涵蓋的范圍很廣，可以是不依賴于其他能源產(chǎn)地或是本地區(qū)或國(guó)家的能源自給自足[25]。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)對(duì)于傳統(tǒng)化石能源消費(fèi)的需求不同，新能源、電動(dòng)汽車大力發(fā)展與海上風(fēng)電、P2G等技術(shù)漸趨成熟，這對(duì)化石能源消費(fèi)起到了抑制作用。數(shù)據(jù)顯示，世界首條以輸送新能源為主的能源大通道——青豫直流工程累計(jì)向河南輸送新能源電力2 000 GWh，相當(dāng)于減少煤耗9×105t、減少CO2排放量1.48×106t[26]?？梢姡茉聪M(fèi)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生著較大的變革，傳統(tǒng)能源安全也將被賦予新的內(nèi)涵，將具有新的表現(xiàn)形式。

中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)“富煤、缺油、少氣”的特征決定了石油和天然氣長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面。圖3為中國(guó)能源產(chǎn)量情況構(gòu)成，圖4為中國(guó)1990—2018年能源消費(fèi)構(gòu)成。

圖3 中國(guó)1990—2018年能源產(chǎn)量構(gòu)成

圖4 中國(guó)1990—2018年能源消費(fèi)構(gòu)成

除部分年份外，我國(guó)能源生產(chǎn)基本逐年增長(zhǎng)，能源消費(fèi)量則一直逐年增長(zhǎng)，21世紀(jì)以來(lái)能源快速增長(zhǎng)。但近年來(lái)中國(guó)能源產(chǎn)量不能滿足國(guó)內(nèi)能源需求，這部分差額由進(jìn)口量補(bǔ)充。從能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)上看，煤炭產(chǎn)量占比維持基本穩(wěn)定，石油產(chǎn)量占比整體呈下降趨勢(shì)，天然氣產(chǎn)量小幅增長(zhǎng)，這與中國(guó)能源儲(chǔ)藏結(jié)構(gòu)基本一致。電力及其他能源占比則逐年增長(zhǎng)，得益于國(guó)家大力推進(jìn)電能替代以及新能源發(fā)電等先進(jìn)技術(shù)不斷成熟。從消費(fèi)側(cè)分析，煤炭消費(fèi)占比近年來(lái)不斷下降，石油消費(fèi)占比基本維持恒定，天然氣、電力和其他能源的消費(fèi)逐年增長(zhǎng)，與生產(chǎn)側(cè)變化趨勢(shì)基本一致。兩者之間的差額分別由進(jìn)口能源補(bǔ)充，石油、天然氣對(duì)外依存度常年保持高位。

基于此，必須重視國(guó)家能源安全。報(bào)道顯示，中國(guó)初步建成四大天然氣進(jìn)口通道，分別是西北通道(中國(guó)—中亞天然氣管道，設(shè)計(jì)年輸量8.5×1010m3)、東北通道(中俄天然氣管道，近7.0×1010億m3)、西南通道(中緬油氣管道)和東南通道(海上通道)[27]。其中海上通道是石油、天然氣進(jìn)口的關(guān)鍵通道，需要取道馬六甲海峽，國(guó)際形勢(shì)變化有可能導(dǎo)致這條關(guān)鍵通道被“切斷”。中緬油氣通道一定程度上緩解了中國(guó)對(duì)于馬六甲海峽的依賴，但中國(guó)石油、天然氣對(duì)外依存度高、整體的能源安全形勢(shì)依然比較嚴(yán)峻。文獻(xiàn)[28]針對(duì)能源利用中的主要問(wèn)題闡明“能源缺口”的成因，并提出發(fā)展新能源和提高能源利用效率可以消除“能源缺口”，提升能源安全；文獻(xiàn)[29]以陜西省和廣東省為例，對(duì)能源生產(chǎn)大省和消費(fèi)大省的能源供給情況與存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，評(píng)估兩省能源安全并提出針對(duì)性的建議；文獻(xiàn)[30]指出人類已經(jīng)邁進(jìn)地緣政治時(shí)代，從能源貿(mào)易視角構(gòu)建了基于能權(quán)的靜態(tài)博弈模型和競(jìng)爭(zhēng)性均勢(shì)模式；文獻(xiàn)[31]基于混合投入產(chǎn)出分析研究能源安全性。在此背景下，推進(jìn)新能源發(fā)展，基于能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施能源替代具有重要的意義。

1.3 能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與價(jià)值

基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源互替可以服務(wù)于國(guó)家能源安全和環(huán)境改善。直觀上理解，能源互聯(lián)網(wǎng)是打破能源壁壘，實(shí)現(xiàn)能源信息互通，完成能源互聯(lián)、互替互用的能源網(wǎng)絡(luò)；也是服務(wù)國(guó)家能源戰(zhàn)略，促進(jìn)能源消費(fèi)體系變革，涵蓋能源生產(chǎn)、進(jìn)口、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和消費(fèi)各環(huán)節(jié)所涉及到的設(shè)備、機(jī)器、系統(tǒng)，基于一定運(yùn)行規(guī)則，廣泛應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)手段的能源網(wǎng)絡(luò)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的概念有不同的理解和解讀。文獻(xiàn)[32]指出能源互聯(lián)網(wǎng)是以電為核心，利用可再生能源發(fā)電技術(shù)、信息技術(shù)，融合電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、供熱/冷網(wǎng)絡(luò)等多能源網(wǎng)以及電氣交通網(wǎng)形成的異質(zhì)能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)。不論何種定義，能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵在于信息共享、能源互濟(jì)。

在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全多方面的共同需求下，基于能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的多種技術(shù)和應(yīng)用得以發(fā)展，也進(jìn)一步促進(jìn)和推動(dòng)了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。概念方面，文獻(xiàn)[33]基于能源互聯(lián)網(wǎng)框架研究負(fù)荷峰值轉(zhuǎn)移問(wèn)題，考慮具有儲(chǔ)能裝置時(shí)用戶的雙重角色，以終端用戶的日內(nèi)用能成本最小為目標(biāo)，考慮網(wǎng)絡(luò)約束下實(shí)現(xiàn)峰值負(fù)荷平抑，旨在解決能源短缺的問(wèn)題；文獻(xiàn)[34]總結(jié)了關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的四種普遍的定義——智能電網(wǎng)、全球能源互聯(lián)網(wǎng)、量子網(wǎng)絡(luò)和大型物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)中能源路由器、能源樞紐、能源互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)設(shè)備、智能能源管理和能源交易等技術(shù)。應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[35]考慮新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和能源交易平臺(tái)，建立混合整數(shù)線性規(guī)劃，利用遺傳算法解決用戶儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車的最優(yōu)充電控制問(wèn)題；文獻(xiàn)[36]考慮價(jià)格和風(fēng)險(xiǎn)成本配電網(wǎng)進(jìn)行分析，從電力商角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。綜上所述，能源互聯(lián)網(wǎng)具有的價(jià)值簡(jiǎn)要分析如下。

1.3.1 促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

能源對(duì)外依存度影響國(guó)家能源安全，氣候環(huán)境嚴(yán)峻形勢(shì)影響可持續(xù)發(fā)展。很顯然，能源頂層設(shè)計(jì)要進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，降低化石能源使用比例，用新能源代替環(huán)境污染指數(shù)大、對(duì)外依存度高的能源。能源互聯(lián)網(wǎng)作為能源互通、信息共享的統(tǒng)一平臺(tái)，為能源互濟(jì)提供機(jī)會(huì)，可以深入挖掘綠色能源替代化石能源的空間、深度探索新技術(shù)手段應(yīng)用于節(jié)能減排、降低能耗的實(shí)現(xiàn)途徑。理清底層能源轉(zhuǎn)換具體形式，暢通網(wǎng)絡(luò)能源互濟(jì)、信息共享，將為頂層能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供堅(jiān)實(shí)保障。

1.3.2 提供信息互聯(lián)平臺(tái)

能源互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的融合，物理系統(tǒng)是框架，信息流是“神經(jīng)”，是支撐網(wǎng)絡(luò)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵要素。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，基于供給、需求、價(jià)格和通道運(yùn)載能力等信息做出合理決策和經(jīng)濟(jì)調(diào)度；遭遇緊急突發(fā)事件時(shí)，緊急事件的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞，能源系統(tǒng)基于此做出動(dòng)作，多能源統(tǒng)一協(xié)調(diào)、互相支撐。

1.3.3 實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)靈活可靠運(yùn)行

供給側(cè)能源結(jié)構(gòu)變革，從結(jié)構(gòu)上促進(jìn)能源網(wǎng)絡(luò)的綠色運(yùn)行，減少碳排，降低系統(tǒng)的能源對(duì)外依存度、提高新能源利用比例，實(shí)現(xiàn)能源的合理化利用。運(yùn)輸側(cè)能源經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，能源運(yùn)輸通道部分共享，信息深度交融，多種能源互相備用、互相支撐，減少重復(fù)投資，提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的處置能力；消費(fèi)側(cè)能效提升，在不影響用戶用能滿意度的基礎(chǔ)上選擇不同形式能源達(dá)到目標(biāo)，這種能源類型的平穩(wěn)過(guò)渡有利于平抑能源波動(dòng)或某種能源的暫時(shí)性短缺。

2 能源結(jié)構(gòu)調(diào)整

能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建極大依賴于能源供應(yīng)，在環(huán)境約束下對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)供給側(cè)的能源構(gòu)成進(jìn)行設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單來(lái)講，需要探索經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系，進(jìn)而分析強(qiáng)約束下的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式和碳排放軌跡，以此為基礎(chǔ)確定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，倒逼能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和能源科技發(fā)展。系統(tǒng)目標(biāo)的達(dá)成是各子系統(tǒng)作用的綜合效應(yīng)，由于各省/區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技水平不同，差異化推進(jìn)各地區(qū)能源轉(zhuǎn)變能保證整體指標(biāo)的完成。

2.1 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境問(wèn)題內(nèi)在關(guān)聯(lián)

庫(kù)茲涅茨曲線是諾貝爾獲得者、經(jīng)濟(jì)學(xué)家?guī)炱澞挠脕?lái)分析人均收入水平和分配公平程度關(guān)系的學(xué)說(shuō)。它描述了公平程度隨收入增長(zhǎng)先增后降的倒“U”形曲線的關(guān)系。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境惡化之間的矛盾逐漸凸顯，許多學(xué)者關(guān)注這一問(wèn)題，且發(fā)現(xiàn)環(huán)境惡化程度和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間也存在圖5所示的倒“U” 形曲線(EKC曲線)形式[37]。

圖5 環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線示意圖

具體來(lái)講，環(huán)境在低收入水平上隨人均經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)而惡化，在高收入水平上隨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)而好轉(zhuǎn)。其中存在庫(kù)茲涅茨環(huán)境拐點(diǎn)(并非是一個(gè)具體的點(diǎn)，而是一個(gè)區(qū)間)，環(huán)境在拐點(diǎn)出現(xiàn)之前逐漸惡化，在拐點(diǎn)出現(xiàn)之后漸漸好轉(zhuǎn)。與環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)的是碳排放問(wèn)題，關(guān)注的重點(diǎn)在于碳排放峰值什么時(shí)候出現(xiàn)，以及如何加速轉(zhuǎn)折點(diǎn)的出現(xiàn)。

圍繞這一問(wèn)題，許多專家學(xué)者從碳排放驅(qū)動(dòng)機(jī)制以及碳排放核算和預(yù)測(cè)等多個(gè)角度進(jìn)行相關(guān)研究。碳排放驅(qū)動(dòng)機(jī)制方面，文獻(xiàn)[38]選擇6個(gè)不同地區(qū)作為研究對(duì)象，基于EKC曲線研究空氣污染與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間關(guān)系，將碳排放量、人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、外國(guó)投資等多變量輸入到建立的隨機(jī)效應(yīng)和固定效應(yīng)模型中，結(jié)果顯示不同地區(qū)具有不同的EKC曲線形式。文獻(xiàn)[39]利用STIRPAT模型分析江蘇省碳排放量與人口規(guī)模、人均GDP以及城鎮(zhèn)化率等指標(biāo)之間的關(guān)系，定量給出不同指標(biāo)變化時(shí)碳排放量變化的具體比例。碳排放預(yù)測(cè)與生產(chǎn)模擬方面，文獻(xiàn)[40]指出碳排放峰值對(duì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型會(huì)產(chǎn)生倒逼機(jī)制，但目前還鮮有研究真正揭示該機(jī)制的基本特征和運(yùn)行機(jī)理，沒(méi)有給出在碳峰值目標(biāo)倒逼機(jī)制下的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型路徑。文獻(xiàn)[41]基于碳排放約束，設(shè)計(jì)重點(diǎn)行業(yè)部門的轉(zhuǎn)型情況，模擬中國(guó)能源消費(fèi)總量和結(jié)構(gòu)變化。

2.2 能源結(jié)構(gòu)與區(qū)域分解

能源結(jié)構(gòu)決定了各種能源的使用比例和使用方式。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變能源消費(fèi)方式是許多國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)前三季度清潔電力生產(chǎn)比重明顯提高，規(guī)模以上水電、核電、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電占總發(fā)電量的29.2%[42]。《中國(guó)能源電力發(fā)展展望2020》顯示，中國(guó)2060年電力有望實(shí)現(xiàn)近零排放，電能占終端能源消費(fèi)比重、非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將分別達(dá)到70%和80%[43]。據(jù)預(yù)測(cè)，全球在2025年可再生能源裝機(jī)占比達(dá)到50%左右，2050年非化石能源占比達(dá)到40%左右[44]。不論從全球還是中國(guó)來(lái)看，化石能源消費(fèi)將會(huì)持續(xù)下降，以新能源為代表的非化石能源將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注，電能作為清潔能源在節(jié)能減排等方面將發(fā)揮更大作用。

能源結(jié)構(gòu)調(diào)整從整體上規(guī)劃了一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展路徑，具體實(shí)現(xiàn)需要依靠各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，即在“蛋糕”做好之后確定各個(gè)子系統(tǒng)分得多少的問(wèn)題，讓各消費(fèi)主體公平承擔(dān)能源結(jié)構(gòu)改革任務(wù)?！?019—2020年全國(guó)碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實(shí)施方案(發(fā)電行業(yè))》、國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)各省級(jí)行政區(qū)域2020年可再生能源電力消納責(zé)任權(quán)重的通知中指出，碳排放配額和新能源消納責(zé)任均按照一定原則實(shí)現(xiàn)劃分。目前，關(guān)于碳排放強(qiáng)度約束目標(biāo)下的地區(qū)分解方案等問(wèn)題也有相關(guān)研究。文獻(xiàn)[45]利用泰爾指數(shù)進(jìn)行區(qū)域分解，基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源效率等因素分析東部、中部和西部三個(gè)區(qū)域間碳排放的不平衡，結(jié)果顯示能源效率是造成區(qū)域不平衡的關(guān)鍵因素，中東部地區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中更加重視節(jié)能和低碳發(fā)展。文獻(xiàn)[46]基于公平性指標(biāo)、效率性指標(biāo)、可行性指標(biāo)和可持續(xù)性發(fā)展指標(biāo)建立了碳排放總量控制目標(biāo)分解模型，根據(jù)模型將2030年碳排放量總量預(yù)測(cè)值進(jìn)行省級(jí)分配。文獻(xiàn)[47]利用LMDI分解方法分析了工業(yè)各行業(yè)對(duì)于碳排放的影響。

3 能源跨區(qū)模型

3.1 基本結(jié)構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)可以獨(dú)立完成能源的生產(chǎn)、進(jìn)口、外送、消耗和儲(chǔ)備等功能，是具有獨(dú)立性和系統(tǒng)性的能源系統(tǒng)，可以將一個(gè)能源子系統(tǒng)抽象為圖6所示的結(jié)構(gòu)，同時(shí)接收外部系統(tǒng)、本地能源和負(fù)荷等多種信息并完成能源的轉(zhuǎn)換和分配。

圖6 能源子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

顯然，能源樞紐與各渠道之間進(jìn)行雙向的信息溝通，既要滿足本地負(fù)荷和外送需求，又須兼顧本地能源和進(jìn)口能源的供給能力。由此，衍生出多個(gè)問(wèn)題，代表性問(wèn)題分析如下。

3.1.1 基于歷史大數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)

如前所述，碳排放量將作為強(qiáng)約束指導(dǎo)能源結(jié)構(gòu)變革，需要對(duì)碳排放的演變趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。能源消費(fèi)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)息息相關(guān)，從全局看，做好國(guó)家層面的能源消費(fèi)預(yù)測(cè)是系統(tǒng)平衡、能源規(guī)劃和政策制定的基礎(chǔ)[48]。而本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城鎮(zhèn)化率等均會(huì)作用于能源消費(fèi)，需要深入分析基于社會(huì)因素的能耗預(yù)測(cè)方法。本地能源開采量、能源儲(chǔ)備量、能源購(gòu)入量和外送量預(yù)測(cè)是做好本地平衡的基礎(chǔ)。除此之外，衍生出的新能源利用、新技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)也需要分析。文獻(xiàn)[49]基于建立的模擬場(chǎng)景預(yù)測(cè)2020—2050年中國(guó)電力行業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、電力生產(chǎn)和需求構(gòu)成，預(yù)測(cè)分析碳排放特征和減排潛力。文獻(xiàn)[50]通過(guò)改進(jìn)常規(guī)灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)碳排量較大的中國(guó)、美國(guó)、印度三國(guó)的生物能源的生產(chǎn)消費(fèi)和平衡情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，描繪未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)格局變化。文獻(xiàn)[51]提出多行業(yè)的氫負(fù)荷預(yù)測(cè)函數(shù)和計(jì)及原始數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的滾動(dòng)灰色預(yù)測(cè)方法。

3.1.2 考慮本地分布負(fù)荷特性的單一能源規(guī)劃

基于宏觀政策，結(jié)合不同主體、不同層次預(yù)測(cè)結(jié)果，各能源運(yùn)輸主體承擔(dān)能源配分任務(wù)。各種能源的特性不同、產(chǎn)銷地不同、運(yùn)輸方式和路徑不同，能源運(yùn)輸?shù)哪Ｐ鸵膊煌耆嗤?。但總體來(lái)講，運(yùn)輸過(guò)程中均需要考慮各種運(yùn)輸通道的運(yùn)力約束，需要考慮通道堵塞情況下的應(yīng)急處置。文獻(xiàn)[52]建立分區(qū)煤炭供給模型來(lái)研究?jī)?yōu)化未來(lái)中國(guó)煤炭的產(chǎn)、運(yùn)格局。文獻(xiàn)[53]分析了多種因素對(duì)于石油、天然氣供應(yīng)鏈穩(wěn)定的影響。文獻(xiàn)[54 - 55]指出煤炭等整個(gè)能源行業(yè)應(yīng)急保障能力還有待提高，提出應(yīng)該建立健全能源應(yīng)急保障管理的體制機(jī)制、加強(qiáng)能源跨區(qū)域調(diào)度和應(yīng)急能源儲(chǔ)備能力。

3.1.3 綜合能源輸儲(chǔ)用模型描述

不同能源由統(tǒng)一的調(diào)配中心進(jìn)行安排，暢通各能源運(yùn)輸主體信息交流，實(shí)現(xiàn)能源供給側(cè)互聯(lián)互通。一方面，統(tǒng)一主體調(diào)配可以綜合考慮多種能源分布特點(diǎn)和需求側(cè)能源需求，最大限度利用供需兩側(cè)信息，實(shí)現(xiàn)能源運(yùn)輸通道的最優(yōu)利用，減少由于信息缺乏或不對(duì)等情況下造成的通道堵塞；另一方面，在滿足用能需求和用戶滿意度情形下實(shí)現(xiàn)能源供給側(cè)互補(bǔ)，充分保障能源流動(dòng)性和安全性。具體來(lái)講，考慮低碳經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展，結(jié)合用戶多能互補(bǔ)利用空間，在確保能源供應(yīng)安全的條件下，以成本最小為目標(biāo)建立綜合能源的統(tǒng)一調(diào)配模型。文獻(xiàn)[56]提出多個(gè)微電網(wǎng)的混合能源共享框架，提高具有熱電聯(lián)產(chǎn)和需求響應(yīng)的熱電集成能源系統(tǒng)的靈活性。文獻(xiàn)[57]分析了熱泵、儲(chǔ)熱和需求響應(yīng)對(duì)于綜合能源系統(tǒng)年度運(yùn)行成本、消耗量和二氧化碳排放量的影響?？傮w來(lái)講，現(xiàn)有研究集中在設(shè)備層，對(duì)于省或國(guó)家層面的統(tǒng)一能源調(diào)配系統(tǒng)的研究還比較少。

3.1.4 能源市場(chǎng)和規(guī)劃

能源具有商品屬性，在能源運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，極易受到市場(chǎng)的影響。能源價(jià)格會(huì)影響用戶對(duì)不同能源的需求，進(jìn)而影響生產(chǎn)側(cè)的能源開采。能源供需波動(dòng)對(duì)于能源網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行有較大的影響，需要研究能源市場(chǎng)的演化機(jī)理，預(yù)測(cè)能源市場(chǎng)走向和變化趨勢(shì)，為能源運(yùn)輸提供市場(chǎng)化指導(dǎo)。另一方面，規(guī)劃應(yīng)該走在市場(chǎng)的前邊，基于市場(chǎng)化下能源波動(dòng)，應(yīng)該對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效評(píng)估規(guī)劃，滿足突發(fā)情況下的能源穩(wěn)定供應(yīng)。對(duì)消費(fèi)側(cè)來(lái)講，要規(guī)劃多種能源的應(yīng)急儲(chǔ)備。文獻(xiàn)[58]分析了能源供應(yīng)商、綜合能源服務(wù)提供商和能源用戶之間的關(guān)系，提出一種考慮能源級(jí)聯(lián)利用的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前能源交易策略；文獻(xiàn)[59]提出兩階段隨機(jī)規(guī)劃模型和集成能源市場(chǎng)的兩階段清算模型，設(shè)計(jì)了市場(chǎng)結(jié)算的流程。

總體來(lái)講，對(duì)于預(yù)測(cè)、優(yōu)化和規(guī)劃問(wèn)題的研究比較多，但大多集中于電力行業(yè)或以電力為主體的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)于城市、省區(qū)或國(guó)家層面的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)問(wèn)題研究較少，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的描述體系。

3.2 含多主體的統(tǒng)一能源網(wǎng)絡(luò)模型

單個(gè)能源子系統(tǒng)描述了一個(gè)用能單元的能源輸入輸出端口聯(lián)系，涵蓋了能源生產(chǎn)、進(jìn)口、轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能裝置等方面，但能源互聯(lián)網(wǎng)由多個(gè)用能子系統(tǒng)和運(yùn)輸通道組成，跨區(qū)之間的能源運(yùn)輸流動(dòng)也是能源互聯(lián)網(wǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。

目前，煤炭、石油、天然氣及電力分別通過(guò)分立的運(yùn)輸商進(jìn)行區(qū)域間運(yùn)輸，各利益主體之間信息封閉，在追求各系統(tǒng)利益最大化的同時(shí)忽略了能源互補(bǔ)這一特性，系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性難以保證，能源結(jié)構(gòu)得不到充分優(yōu)化，單一系統(tǒng)的危機(jī)很難通過(guò)能源協(xié)調(diào)化解，抵御突發(fā)安全事件的能力較差[1,5,51]。

能源區(qū)域間流動(dòng)可以等價(jià)為能源物流問(wèn)題，對(duì)單一能源網(wǎng)絡(luò)，在考慮各種運(yùn)輸約束的前提下以系統(tǒng)運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)進(jìn)行能源優(yōu)化分配。以煤炭為例[52]，區(qū)域煤炭活動(dòng)主要包括煤炭生產(chǎn)、需求、庫(kù)存、能源流入、能源流出、進(jìn)口、出口，出于地區(qū)能源供應(yīng)安全的考量，庫(kù)存保持動(dòng)態(tài)恒定，總量認(rèn)為不變，則平衡式如式(1)所示。

Ni=Mi+Ii+Pi-Qi-Oi

(1)

式中：Ni為煤炭需求量；Mi為煤炭生產(chǎn)量；Ii為煤炭進(jìn)口量；Pi為其他能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)至網(wǎng)絡(luò)i的煤炭量；Qi為網(wǎng)絡(luò)i運(yùn)送到其他網(wǎng)絡(luò)的煤炭量；Oi為煤炭出口量。

在煤炭系統(tǒng)中，要同時(shí)考慮本地煤炭的產(chǎn)能和運(yùn)力的約束，可得式(2)—(3)。

Mi≤σi×Mei

(2)

Pij≤Peij

(3)

式中：Mei為i省本地的煤炭產(chǎn)能；σi為煤炭產(chǎn)能利用率；Pij為j地區(qū)運(yùn)至i地區(qū)的煤炭量；Peij為j地區(qū)至i本地煤炭運(yùn)輸通道的運(yùn)能。

在產(chǎn)銷過(guò)程中的關(guān)鍵是煤炭運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性，以煤炭運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)建立式(4)所示目標(biāo)函數(shù)。

CT=min(∑Mi×CMi+∑i∑jPij×CPij)

(4)

式中：CT為整個(gè)煤炭運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸成本；CMi為i地區(qū)單位產(chǎn)煤成本；CPij為j地區(qū)至i地區(qū)的單位運(yùn)能成本。

基于上述分析，聯(lián)合式(1)—(4)可以得到煤炭網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)配模型。

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，考慮終端用能用戶的能源需求，將多網(wǎng)絡(luò)綜合進(jìn)行優(yōu)化，在滿足用戶用能需求的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)供給側(cè)能源的互補(bǔ)，提供能源連續(xù)供應(yīng)的持久性和可靠性。

在具有N種能源、M個(gè)能源子系統(tǒng)，B條運(yùn)輸通道的能源網(wǎng)絡(luò)中，定義能源節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)三維矩陣A(i,k,j),i=1,2,…,M,j=1,2,…,M,k=1,2,…,N，B=max(bk),k=1,2,…,N，bk為第k種能源的運(yùn)輸通道總數(shù)。

(5)

式中：aikj描述第i個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)和第j個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)之間是否有第k種能源的交換，取值為-1、0、1，其具體意義詳述如下。

當(dāng)aikj=0時(shí)，代表i網(wǎng)絡(luò)和j網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有能源k的交換或沒(méi)有相關(guān)能源通道；

當(dāng)aikj=1時(shí)，代表i網(wǎng)絡(luò)和j網(wǎng)絡(luò)之間有第k種能源交換，且從j網(wǎng)絡(luò)流入i網(wǎng)絡(luò)；

當(dāng)aikj=-1時(shí)，代表i網(wǎng)絡(luò)和j網(wǎng)絡(luò)之間有第k種能源交換，且從i網(wǎng)絡(luò)流入j網(wǎng)絡(luò)；

為計(jì)算能源運(yùn)輸量、運(yùn)輸費(fèi)用、能源自給量和開采費(fèi)用等，分別定義能源運(yùn)輸矩陣E、 單位運(yùn)輸成本矩陣S、 進(jìn)出口矩陣I/O、 自開采矩陣D。

式中：Sk、Ek、Ik、Ok、Dk分別為第k種能源的單位運(yùn)輸成本矩陣、能源運(yùn)輸矩陣、能源進(jìn)出口矩陣和能源開采矩陣；ikj、Okj、dkj(j=1,2,…,M)分別為第j個(gè)能源子系統(tǒng)中第k種能源的進(jìn)口量、出口量和開采量。

則運(yùn)輸成本ZT、 運(yùn)輸過(guò)程中的碳排放成本ZC分別表示如下。

(7)

式中：S為單位運(yùn)輸成本矩陣；sikj為i地區(qū)到j(luò)地區(qū)運(yùn)輸?shù)趉種能源的單位運(yùn)能成本；E為能源運(yùn)輸矩陣；eikj為從i地區(qū)到j(luò)地區(qū)運(yùn)輸?shù)牡趉種能源量。

(8)

式中Pk為運(yùn)輸?shù)趉種能源的單位碳排放成本。

考慮能源運(yùn)力約束，可得式(9)。

?i、j、k,eikj≤eikjmax

(9)

式中eikjmax為i地區(qū)到j(luò)地區(qū)的第k種能源運(yùn)輸通道的最大運(yùn)力。

綜合可得能源運(yùn)輸模型如式(10)所示。

minZ=min(ZT+ZC)

(10)

s.t. ?i、j、k,eikj≤eikjmax

式中Z為運(yùn)輸總成本。

矩陣形式的能源網(wǎng)絡(luò)建模可以很好地描述能源網(wǎng)絡(luò)中能源流動(dòng)的特征，具有很強(qiáng)的拓展性，可應(yīng)用于不同規(guī)模、不同層級(jí)的能源運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，能源互聯(lián)網(wǎng)包含多種能源的運(yùn)輸，不同能源的運(yùn)輸路徑不同、方式不同，所以其模型的具體表現(xiàn)形式是復(fù)雜的，尤其是保證用戶用能滿意度情況下實(shí)現(xiàn)能源的互替。

3.3 能源網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)與規(guī)劃建設(shè)

能源互聯(lián)網(wǎng)是基于能源政策和其他因素不斷修正和建設(shè)的適應(yīng)力強(qiáng)且具有可擴(kuò)展性的能源網(wǎng)絡(luò)，其建設(shè)是一個(gè)不斷修正的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

圖7展示了能源互聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

圖7 能源互聯(lián)網(wǎng)評(píng)價(jià)和建設(shè)流程

能源互聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程一方面是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)，另一方面是基于評(píng)價(jià)的規(guī)劃建設(shè)。根據(jù)統(tǒng)一能源網(wǎng)絡(luò)模型算得整個(gè)能源系統(tǒng)的能流分布，對(duì)運(yùn)輸側(cè)，評(píng)估運(yùn)輸通道利用率和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力；對(duì)消費(fèi)側(cè)，評(píng)估運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的能源自給能力，基于評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，著重關(guān)注系統(tǒng)薄弱點(diǎn)，其中包括可能過(guò)載的通道、容易發(fā)生堵塞的通道以及用戶儲(chǔ)備不足等。文獻(xiàn)[60]建立綜合能源安全評(píng)價(jià)體系，從能源側(cè)的能源可利用性和穩(wěn)定性等角度出發(fā)評(píng)估中國(guó)30個(gè)省份的能源安全；文獻(xiàn)[61]利用博弈交叉效率模型，將能源等作為輸入變量，環(huán)境污染物和地區(qū)生產(chǎn)總值等作為輸出變量評(píng)估省級(jí)能源效率。

4 能源終端優(yōu)化利用

4.1 能量樞紐的基本模型

在終端能源利用過(guò)程中，能源樞紐[62]被廣泛應(yīng)用。能源樞紐可以描述輸入輸出之間的轉(zhuǎn)換、分配關(guān)系。可以用式(11)來(lái)表示。

L=f(P)

(11)

式中：P為各種能源輸入量矩陣；f(·)描述能源的傳輸、轉(zhuǎn)化和分配過(guò)程[63]；L為經(jīng)系統(tǒng)一系列作用之后的能源利用矩陣。

這一模型的建立并沒(méi)有針對(duì)特定的系統(tǒng)，具有很好的擴(kuò)展性，可應(yīng)用于不同尺度的能源網(wǎng)絡(luò)中。系統(tǒng)包含電纜等能源傳導(dǎo)設(shè)備、電動(dòng)機(jī)等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和抽蓄電站等能源存儲(chǔ)設(shè)備[64]。

進(jìn)一步，可以將輸入輸出之間的復(fù)雜關(guān)系用矩陣形式描述，稱之為耦合矩陣C。

(12)

式中：cij為第i種輸入能源和第j種輸出能源之間的耦合因子；L1，L1, … ,Ln分別為經(jīng)系統(tǒng)傳輸、轉(zhuǎn)化和分配后的輸出量；P1,P2,…,Pm分別為對(duì)應(yīng)系統(tǒng)不同能源的輸入量。

基于此模型可做進(jìn)一步分解，該模型內(nèi)部可以涵蓋儲(chǔ)能、新能源和電動(dòng)汽車等多種主體。已有較多文獻(xiàn)針對(duì)含不同主體的能量樞紐進(jìn)行分析建模。

4.2 基于能量樞紐的系統(tǒng)運(yùn)行

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模是一方面，另一方面是利用建立的模型指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行，以達(dá)到成本最低或碳排放最小等目標(biāo)，基本模型如式(13)所示[64]。

(13)

式中：C為描述系統(tǒng)的耦合矩陣；F(·)為描述能源系統(tǒng)成本或碳排放的函數(shù)；P為能源輸入；Pmin和Pmax分別為能源輸入的最小和最大值。模型的優(yōu)化變量為能源輸入和轉(zhuǎn)換過(guò)程等，約束包括供需平衡約束和各環(huán)節(jié)的上下限約束。

不同類型的能源樞紐有不同的能源利用形式和優(yōu)化目標(biāo)。文獻(xiàn)[65]考慮可再生能源發(fā)電和負(fù)荷的隨機(jī)性，將能量樞紐容量設(shè)計(jì)問(wèn)題分別描述為考慮機(jī)會(huì)約束和魯棒約束的優(yōu)化問(wèn)題，并提出一種迭代算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[66]提出一種分布式拍賣機(jī)制，用戶將能源需求提交給處理中心，中心采用交替方向乘子法(ADMM)求解分布式問(wèn)題進(jìn)而確定方案。文獻(xiàn)[67]建立了包含儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車的能量樞紐模型，分析污染物交易對(duì)于運(yùn)營(yíng)成本的影響并提出優(yōu)化調(diào)度策略。

5 市場(chǎng)參與下的能源互聯(lián)網(wǎng)

制度調(diào)控和市場(chǎng)調(diào)節(jié)在資源配置過(guò)程中均發(fā)揮了較大的作用，“有形的手”和“無(wú)形的手”相互聯(lián)系、相互補(bǔ)充。從1997年到2007年，市場(chǎng)化對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)年均貢獻(xiàn)1.45個(gè)百分點(diǎn)[68]。市場(chǎng)化對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)有顯著推動(dòng)作用，關(guān)于不同行業(yè)的市場(chǎng)化進(jìn)程也逐步推進(jìn)。文獻(xiàn)[69]基于用戶參與電力和碳排放市場(chǎng)的環(huán)境利益，提出一種兩階段調(diào)度模型，基于零和收益數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型設(shè)計(jì)多準(zhǔn)則分配方案。文獻(xiàn)[70]通過(guò)建立能源和碳排綜合價(jià)格來(lái)協(xié)調(diào)傳輸和分配方案。文獻(xiàn)[71]提出一種線性松弛的交流最優(yōu)潮流模型，以此為基礎(chǔ)完成電力市場(chǎng)的日前出清。

但同時(shí)要意識(shí)到市場(chǎng)化是一種從計(jì)劃性向博弈性轉(zhuǎn)變的過(guò)程，不是簡(jiǎn)單地取締能源中心。由于涉及到跨區(qū)能源輸送，送端系統(tǒng)的不確定性或通道阻塞將會(huì)導(dǎo)致受端系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)將傳遞給各用能用戶。各能源系統(tǒng)是能源購(gòu)買的決策者，通過(guò)與市場(chǎng)之間的交互確定找到適合自己的模式，能源流動(dòng)過(guò)程中的決策者增多，必然存在利益沖突和妥協(xié)，風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。文獻(xiàn)[72]以云南水電市場(chǎng)為背景，指出其存在電價(jià)等決策因素不確定性大的問(wèn)題，構(gòu)建了兼顧收益與風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)電計(jì)劃模型。文獻(xiàn)[73]通過(guò)引入阿羅-德布魯一般均衡模型來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)受限隨機(jī)電力市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)交易并得出了考慮風(fēng)險(xiǎn)的市場(chǎng)出清模型。

6 討論與展望

6.1 能源結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化

當(dāng)前對(duì)于能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了初步探索和分析，結(jié)合碳排放約束的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型問(wèn)題也逐漸受到關(guān)注。但能源結(jié)構(gòu)變革不是一蹴而就、一步到位的，是與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)變遷緊密聯(lián)系的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是沿著節(jié)能減耗、綠色發(fā)展大方向前進(jìn)的探索過(guò)程。還存在多方面問(wèn)題需要深入研究。首先，中國(guó)當(dāng)前確定了碳減排目標(biāo)，在強(qiáng)約束且不對(duì)經(jīng)濟(jì)造成較大影響的情況下如何進(jìn)行生產(chǎn)安排是重中之重，既要考慮各行業(yè)的承受力和變革空間，也要考慮各地區(qū)的資源屬性和發(fā)展差異；其次，由于固有的能源稟賦，中國(guó)將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依賴于國(guó)外的石油和天然氣，這一局面如何盡早改變需要探討；再有，能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)模式要走在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型之前，要能夠?yàn)楹暧^能源政策提供平臺(tái)支撐，其中涉及到技術(shù)問(wèn)題，以碳捕獲、利用與封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)和新能源為代表的技術(shù)如何規(guī)劃發(fā)展從而促進(jìn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變也需要討論。

6.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的安全預(yù)警和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

隨著能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的不斷深入，系統(tǒng)網(wǎng)架一方面變得越來(lái)越成熟，另一方面也變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行牽涉面越來(lái)越廣，涉及從生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)化、消費(fèi)各環(huán)節(jié)，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。加之多種能源的融合，以新能源為代表的多能源不確定性會(huì)在不同能源系統(tǒng)之間傳遞，進(jìn)而增大系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。建設(shè)靈活、堅(jiān)強(qiáng)、可靠、智能的能源互聯(lián)網(wǎng)，要加大大數(shù)據(jù)分析和信息技術(shù)支撐，建立系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)，建立健全系統(tǒng)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)的應(yīng)急處置機(jī)制；要加大多種能源的儲(chǔ)備力度，打通儲(chǔ)備和系統(tǒng)之間的信息通道，提升系統(tǒng)遭遇緊急事件時(shí)與儲(chǔ)備能源之間的協(xié)同能力。此外，能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)絕不能以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為代價(jià)，要探索系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的新方法、新途徑，實(shí)現(xiàn)綠色、經(jīng)濟(jì)、安全協(xié)同發(fā)展。

6.3 信息技術(shù)廣泛應(yīng)用

能源互聯(lián)網(wǎng)的物理系統(tǒng)將各主體物理連接，而信息流動(dòng)使整個(gè)系統(tǒng)具有活力和應(yīng)用價(jià)值。生產(chǎn)和消費(fèi)兩側(cè)信息融合是能源流動(dòng)的前提，信息傳遞是大系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和小系統(tǒng)區(qū)域自治的基礎(chǔ)。產(chǎn)消側(cè)消息匯集至能源調(diào)度中心才能進(jìn)行合理的能源分配；應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)，預(yù)警信息的全網(wǎng)傳遞才能使各環(huán)節(jié)啟動(dòng)相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，做出合理應(yīng)對(duì)，避免損失擴(kuò)大。要加強(qiáng)“5G”等先進(jìn)信息技術(shù)的利用，促進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展。

6.4 市場(chǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)深度融合

能源互聯(lián)網(wǎng)除實(shí)際物理系統(tǒng)和信息技術(shù)外，需要研究市場(chǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的融合過(guò)程。市場(chǎng)是促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的關(guān)鍵因素，是激發(fā)市場(chǎng)主體活力的驅(qū)動(dòng)因素。能源互聯(lián)網(wǎng)是多主體、多能源系統(tǒng)共同參與的，市場(chǎng)化下的能源交易將使得系統(tǒng)迎來(lái)更多的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。要考慮能源價(jià)格、能源需求、能源用能行為等因素，探索新的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式?，F(xiàn)階段關(guān)于電力市場(chǎng)、天然氣市場(chǎng)、碳排放市場(chǎng)等已有一定的研究，但在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下探索綜合能源市場(chǎng)還比較少。

6.5 提升能效和綠色用能縱深推進(jìn)

要引導(dǎo)用能終端探索能源互替新途徑，發(fā)展節(jié)能減排新技術(shù)。通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)等手段引導(dǎo)用戶改變用能習(xí)慣，順應(yīng)能源供應(yīng)側(cè)變化。通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制引導(dǎo)用戶選擇新能源電力等綠色能源，在用能舒適度不發(fā)生較大變化的前提下選擇更加清潔的能源。大力發(fā)展CCUS技術(shù)，推進(jìn)節(jié)能減排和碳捕集兩環(huán)節(jié)共同發(fā)力。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、能源消費(fèi)和環(huán)境惡化之間的矛盾日益凸顯，世界各國(guó)都在積極探索新發(fā)展路徑，允許能源互濟(jì)、融合新能源和其他先進(jìn)技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)為此提供了平臺(tái)。本文以中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、碳排放和能源安全形勢(shì)為出發(fā)點(diǎn)，介紹了當(dāng)前中國(guó)在這幾方面存在的問(wèn)題?；诖?，回答了為什么要建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)、建成什么樣的能源互聯(lián)網(wǎng)以及如何建設(shè)這樣的能源互聯(lián)網(wǎng)這3個(gè)問(wèn)題。針對(duì)如何建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)，本文將其分為3個(gè)層次，分別為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、區(qū)間能源流動(dòng)和區(qū)域能源優(yōu)化，并綜述了相關(guān)研究方法。討論了市場(chǎng)參與能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的優(yōu)勢(shì)，展望了能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的方向，并提出一些針對(duì)性的看法和建議。

目前對(duì)于各方面的研究相對(duì)比較獨(dú)立，從本文視角描述和分析能源互聯(lián)網(wǎng)的研究成果還比較少，希望本文能為能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究提供參考。